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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für eine Brennkraftmaschine, aufweisend wenigstens ein wenigstens eine Brennkammer der Brennkraftmaschine teilweise begrenzendes Bauteil aus einem metallischen Werkstoff und wenigstens einen an dem Bauteil angeordneten Klopfsensor. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe für eine Brennkraftmaschine, wobei die Baugruppe wenigstens ein an eine Brennkammer der Brennkraftmaschine angrenzendes Bauteil aus einem metallischen Werkstoff und wenigstens einen an dem Bauteil angeordneten Klopfsensor aufweist.
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Klopfen ist nach wie vor ein Problem von Ottomotoren, das bei einer hohen Last und im Volllastbetrieb auftreten kann. Eine Überschreitung der Klopfgrenze kann aufgrund von überhöhten Drücken und Temperaturen innerhalb von Brennkammern eines Ottomotors einen Totalschaden des Ottomotors verursachen. Daher sollte ein Klopfbetrieb eines Ottomotors in jedem Fall verhindert werden.
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Eine geeignete Maßnahme zum Verhindern eines solchen Klopfbetriebs ist ein Verzögern von Zündzeitpunkten. Jedoch verursacht diese Maßnahme eine Verschlechterung der thermodynamischen Effizienz der Verbrennung innerhalb eines Ottomotors und ein Ansteigen einer Abgastemperatur, was zu einer Beschädigung eines Abgaskatalysators führen kann.
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Um den besten Kompromiss für die Zündzeitpunkte zu erhalten, wird wenigstens ein sogenannter Klopfsensor an einem Ottomotor angeordnet. Ausgangssignale des Klopfsensors werden in ein Motorsteuergerät eingegeben, das daraufhin möglichst frühe Zündzeitpunkte festlegt, um den besten Kompromiss zwischen der thermodynamischen Verbrennungseffizienz und einer Schadensverhinderung zu erhalten.
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Der Klopfsensor selbst ist ein Zusatzbauteil, das üblicherweise derart an einem Zylinderblock eines Ottomotors angeordnet wird, dass es klopfspezifische Schwingungen jedes Zylinders des Ottomotors detektieren kann. Jedoch handelt es sich bei dem Anbringungsort des Klopfsensors an dem Zylinderblock herkömmlich immer um einen bestmöglichen Kompromiss, der einen speziellen Auswertungsprozess in sehr kleinen Zeitfenstern erfordert, da während eines Betriebs eines Ottomotors viele parasitäre Störgeräusche entstehen.
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Die
US 9 588 001 B2 offenbart eine durch 3D-Druck gefertigte Druckerfassungsvorrichtung, die in gefährlichen Bereichen verwendet werden kann. Die Vorrichtung weist eine Lichtquelle, einen Prozessor, einen Koppler und wenigstens einen Druckwandler auf. Der Druckwandler weist einen Hauptkörper und ein Fasergitter auf. Das Fasergitter weist einen Faser-Bragg-Gittersensor auf und ist an dem Hauptkörper befestigt und bedeckt den Faser-Bragg-Gittersensor. Wenn der Hauptkörper in einem Fluidbereich angeordnet ist, würde das Fluid durch eine Öffnung fließen, um die Dehnungsschicht zu verformen und eine Dehnungsänderung an dem Faser-Bragg-Gittersensor zu erzeugen, um eine Signaländerung im Reflexionsfrequenzspektrum zu verursachen. Der Koppler ist mit der Lichtquelle und dem Druckwandler gekoppelt, um die Signaländerung in Druckparameter zu decodieren.
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Die
US 6 112 577 A offenbart einen piezoelektrischen, in Resonanz schwingenden Klopfsensor, der einen durch festes Verbinden eines ringförmigen piezoelektrischen Elements gebildeten Vibrationsfühler besitzt, der versehen ist mit Elektroden auf seinen gegenüberliegenden Oberflächen zu einer Oberfläche einer dünnen Metallplatte als festen Bestandteil und getragen wird von einem Tragbolzen, der durch das Zentrum der dünnen Metallplatte getrieben ist. Der Vibrationsfühler ist innerhalb eines Gehäuses angebracht, das an einer Verbrennungskraftmaschine angebracht ist und eine Resonanzfrequenz besitzt, die im Wesentlichen gleich ist mit der Klopfvibrationsfrequenz der Maschine, worin ein erhabener runder Sitzabschnitt an der Unterseite der dünnen Metallplatte vorgesehen ist koaxial mit dem Tragbolzen und der Außendurchmesser des ringförmigen piezoelektrischen Elements größer ist als der Innendurchmesser. Ein stabförmiger Ausgangsanschluss ist vorgesehen, der sich durch das Gehäuse erstreckt. Ein elastisches Verbindungsteil ist angebracht zwischen einem Ende des stabförmigen Ausgangsanschlusses und dem Vibrationsfühler. Das eine Ende des elastischen Verbindungsteils ist federnd in Kontakt gehalten mit einer der Elektroden des ringförmigen piezoelektrischen Elements in einer Position innerhalb des äußeren Randes des erhabenen runden Sitzabschnitts. Der stabförmige Ausgangsanschluss ist elektrisch verbunden mit dieser Elektrode des ringförmigen piezoelektrischen Elements vermittels des elastischen Verbindungsglieds.
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Die
US 4 379 404 A offenbart einen Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements. Es ist ein Biegeschwinger aus elastischem Material vorgesehen, der einseitig mit Hilfe einer Spannvorrichtung fest eingespannt ist. Zwischen Spannbacken ist wenigstens ein piezoelektrisches Element angebracht. Die Spannbacken sind starr mit einem die Klopfgeräusche übertragenden Teil der Brennkraftmaschine verbunden und der Biegeschwinger ist quer zur Schwingungsrichtung dieses Teils der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist.
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Die
US 7 146 847 B2 offenbart einen Klopfsensor eines Verbrennungsmotors mit einem elektronisch auswertbaren Schwingungssensor. Der Schwingungssensor ist als eine piezoresistive amorphe Kohlenstoffschicht mit der Kurzbezeichnung DLC-Schicht ausgebildet.
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Die
US 7 201 038 B2 offenbart einen Klopfsensor mit einer Metallbasis, die aus einem scheibenförmigen Flanschabschnitt und einem röhrenartigen Abschnitt, der sich axial von dem genannten Flanschabschnitt erstreckt, besteht und mit einem durchgehenden Loch versehen ist, das sowohl durch den Flanschabschnitt als auch den röhrenartigen Abschnitt verläuft. Zudem weist der Klopfsensor ein ringförmiges piezoelektrisches Element, eine Anschlussplatte, eine Isolationsschicht und ein Gewicht auf, die auf den röhrenartigen Abschnitt der genannten Basis gepasst sind. Des Weiteren weist der Klopfsensor Haltemittel zum Halten der genannten Komponenten auf, die zwischen den Haltemitteln und dem genannten Flanschabschnitt angeordnet sind und gedrückt werden. Die Haltemittel sind mit einem Rillenabschnitt an einer an der Spitze angeordneten äußeren Umfangsfläche des genannten röhrenartigen Abschnitts versehen. Ein Anschlagsring mit der Wirkung, eine axiale Vorbelastung auf die genannten Komponenten auszuüben, ist auf den genannten röhrenartigen Abschnitt gesetzt und gepasst. Der Anschlagsring und der genannte röhrenartige Abschnitt sind fest in den genannten Rillenteil verstemmt.
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DIE
EP 1 988 378 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer an einem Motorblock montierten Motorkomponente und wenigstens einer Brennkammer, wobei ein Klopfsensor, der als Ergebnis des Verbrennungsvorgangs in wenigstens einer Verbrennungskammer ein Signal erzeugt und an dem Motorblock montiert ist. Der Klopfsensor ist direkt über der Brennkammer angebracht, so dass ein Signal erzeugt wird, das aus dem Verbrennungsprozess resultiert, der durch den Motorblock und über den Klopfsensor übertragen wird, so dass die Verbrennung in der wenigstens einen Brennkammer indirekt gemessen wird.
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Die unter den Link https://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID=50 abrufbare Veröffentlichung „Inside a Car - Knock Sensors“ offenbart verschiedene Klopfsensorarten für eine Brennkraftmaschine.
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Die unter dem Link https:/Iwww.iav.com/en/news/pistons-and-cylinder-head-3d-printer abrufbare Veröffentlichung „Pistons and Cylinder Head from the 3D Printer“ offenbart ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Kolbens und eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine.
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Die unter dem Link https://wwwmbtmag.com/blog/2017/09/3d-printing-revving-automanufacturing abrufbare Veröffentlichung „3D Printing Is Revving UP Auto Manufacturing“ betrifft die Herstellung von Fahrzeugbauteilen durch additive Fertigungsverfahren.
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Die unter dem Link https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Events/2017/cross cutting/20170320-Track-/20170320_1630A Presentation_FE0012272_UMissouri.pdf abrufbare Veröffentlichung „Additive Manufacturing of Smart Parts with Embedded Sensors for In-Situ Monitoring in Advanced Energy Systems“ offenbart eine additive Herstellung von Bauteilen mit eingebetteten Sensoren.
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Die unter dem Link http://www.machinedesign.com/3d-printing/print-metal-parts-builtsensors abrufbare Veröffentlichung „Print Metal Parts with Built-In Sensors“ offenbart die Herstellung von Bauteilen, in die ein Sensor mittels 3D-Druck eingebracht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Detektion von klopfspezifischen Schwingungen an einem Bauteil einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, deren Bauteil und Klopfsensor unter Verwendung eines gemeinsamen additiven Mehrkomponentenfertigungsverfahrens hergestellt sind wobei der Klopfsensor zumindest teilweise in das Bauteil eingebettet ist.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit der Figur zusätzlich.
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Erfindungsgemäß sind das Bauteil und der Klopfsensor zu einer Baugruppe zusammengefasst, indem das Bauteil und der Klopfsensor gleichzeitig unter Verwendung des der Herstellung des Bauteils und der Herstellung des Klopfsensors bzw. dem Bauteil und dem Klopfsensor gemeinsamen additiven Mehrkomponentenfertigungsverfahrens hergestellt werden, wozu wenigstens eine metallische Werkstoffkomponente für das Bauteil und wenigstens eine Werkstoffkomponente für den Klopfsensor verwendet werden. Die metallische Werkstoffkomponente für das Bauteil kann ein Metall, beispielsweise Aluminium, oder eine Metalllegierung sein.
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Zur erfindungsgemäßen Anbringung des Klopfsensors an dem Bauteil können die ursprüngliche Form und Funktion des Bauteils weitestgehend oder vollständig beibehalten werden. Es müssen zur Anordnung des Klopfsensors an dem Bauteil keine herkömmlichen Bohrungen, beispielsweise Gewindebohrungen, an dem Bauteil ausgebildet werden, die die Struktur des Bauteils aufgrund einer Kerbwirkung, einer Spannungskonzentration und einer Querschnittsschwächung beeinträchtigen würden. Erfindungsgemäß behält stattdessen das Bauteil seine ursprünglichen Eigenschaften bei, insbesondere seine Robustheit und Stabilität.
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Die Verwendung des additiven Fertigungsverfahrens ermöglicht somit eine teilweise oder vollständige Integration bzw. Einbettung des Klopfsensors an irgendeinem geeigneten Ort in das Bauteil, indem der Klopfsensor während der Herstellung des Bauteils an dem Bauteil angeordnet und ausgebildet wird. Hierdurch kann der Klopfsensor unmittelbar durch Klopfen bedingte Schwingungen detektieren und den Schwingungen entsprechende Ausgangssignale erzeugen. Diese Detektion kann durch die mit der Erfindung mögliche neuartige Anbringung des Klopfsensors an dem Bauteil sehr exakt erfolgen, ohne dass parasitäre Störgeräusche die Detektion stören.
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Das Bauteil begrenzt teilweise die wenigstens eine Brennkammer der Brennkraftmaschine, und zwar unmittelbar, was bedeutet, dass das Bauteil einen Abschnitt einer den Brennraum einfassenden bzw. definierenden Wandung bildet. Das Bauteil kann auch zwei oder mehrere, insbesondere alle, Brennkammern der Brennkraftmaschine entsprechend unmittelbar begrenzen.
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Der Klopfsensor ist vorzugsweise über eine Signalverbindung mit einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine verbunden, um den Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Klopfsensors steuern und/oder regeln zu können. Die erfindungsgemäße Baugruppe kann für jeden Brennraum jeweils wenigstens einen an dem Bauteil angeordneten Klopfsensor aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet der Klopfsensor einen Abschnitt einer den Brennraum teilweise begrenzenden Oberfläche des Bauteils oder ist vollständig in das Bauteil eingebettet. Bei der ersten Alternative kann also der Klopfsensor selbst einen Abschnitt einer den Brennraum unmittelbar einfassenden bzw. definierenden Wandung bilden, was die Genauigkeit der Detektion der durch Klopfen bedingten Schwingungen weiter verbessert und eine Störung dieser Detektion durch anderweitige Störgeräusche verhindert. Bei der zweiten Alternative ist der Klopfsensor geschützt innerhalb des Bauteils angeordnet, was sich positiv auf die Lebensdauer des Klopfsensors auswirken kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Bauteil ein Zylinderkopf oder ein Zylinderblock der Brennkraftmaschine ist. Insbesondere die Anordnung eines Klopfsensors an einem Zylinderkopf ist mit der Erfindung platzsparend und ohne Beeinträchtigung des Zylinderkopfes realisierbar, da zu dieser Anordnung nahezu keine konstruktive Abwandlung des Zylinderkopfes erforderlich ist. Auch die Anordnung des Klopfsensors an dem Zylinderblock ist entsprechend gut realisierbar.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Klopfsensor ein piezoelektrischer Sensor. Hierdurch weist der Klopfsensor keine mechanisch bewegbaren Komponenten auf, die einem Verschleiß unterliegen und eine bestimmte Mindestgröße des Klopfsensors bedingen würden. Der piezoelektrische Klopfsensor kann deutlich kleiner als ein mechanischer Klopfsensor ausgebildet sein, so dass das Bauteil durch seine Anbringung an demselben nicht beeinträchtigt wird. Zudem weist der piezoelektrische Klopfsensor eine deutlich längere Lebensdauer als ein mechanischer Klopfsensor auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Klopfsensor wenigstens eine Siliziumdioxidschicht auf. Siliziumdioxid hat starke piezoelektrische Eigenschaften und eignet sich daher besonders für die Ausbildung einer piezoelektrischen Schicht des piezoelektrischen Klopfsensors. Zudem ist Siliziumdioxid als Werkstoff zur Durchführung eines additiven Fertigungsverfahrens bewährt, was eine optimale Herstellung des piezoelektrischen Klopfsensors ermöglicht. Alternativ kann die piezoelektrische Sensorschicht des piezoelektrischen Klopfsensors aus einem anderen für eine additive Fertigung des piezoelektrischen Klopfsensors geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Bei der additiven Fertigung des piezoelektrischen Klopfsensors können zudem weitere Werkstoffkomponenten verwendet werden, mit denen beispielsweise elektrisch leitfähige Schichten und/oder Isolationsschichten des piezoelektrischen Klopfsensors herstellbar sind, insbesondere um eine Signalübertragung von dem piezoelektrischen Klopfsensor zu dem Motorsteuergerät sicherstellen zu können.
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Die obige Aufgabe wird zudem durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst, die wenigstens eine Baugruppe nach einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander aufweist.
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Mit der Brennkraftmaschine sind die oben mit Bezug auf die Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden. Die Brennkraftmaschine kann eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, sein. Die Brennkraftmaschine kann zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs oder einer anderweitigen Maschine eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine kann ein Motorsteuergerät aufweisen, das Ausgangssignale des Klopfsensors empfängt und auswertet, um den Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit dieser Ausgangssignale steuern und/oder regeln zu können. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Landfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeug, sein.
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Die obige Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, gemäß dem das Bauteil und der Klopfsensor unter Verwendung eines gemeinsamen additiven Mehrkomponentenfertigungsverfahrens hergestellt werden, wobei der Klopfsensor zumindest teilweise in das Bauteil eingebettet wird.
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Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf die Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann die Baugruppe gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander unter Verwendung des Verfahrens hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das der Klopfsensor derart an dem Bauteil ausgebildet, dass der Klopfsensor einen Abschnitt einer den Brennraum teilweise begrenzenden Oberfläche des Bauteils bildet oder vollständig in das Bauteil eingebettet ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Klopfsensor als piezoelektrischer Sensor ausgebildet wird. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Klopfsensor zumindest teilweise aus Siliziumdioxid hergestellt. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung der Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1, die einen Zylinderblock 2 und einen damit verbundenen Zylinderkopf 3 aufweist. Es ist ein Schnitt der Brennkraftmaschine 1 im Bereich eines Zylinders 4 der Brennkraftmaschine 1 gezeigt, in dem ein Hubkolben 5 verschiebbar geführt ist. An dem Zylinderkopf 3 ist eine Zündkerze 6 angeordnet, die mit einem Motorsteuergerät 7 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Zudem sind ein Ansaugkanal 8 und ein Ausstoßkanal 9 gezeigt, die dem Zylinder 4 zugeordnet sind.
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Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine 1 eine Baugruppe 10 auf, die den Zylinderkopf 3, der eine Brennkammer 11 des Zylinders 4 der Brennkraftmaschine 1 teilweise begrenzt und aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, und einen an dem Zylinderkopf 3 angeordneten Klopfsensor 12 aufweist. Alternativ kann der Klopfsensor 12 an dem Zylinderblock 2 angeordnet sein.
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Der Zylinderkopf 3 und der Klopfsensor 12 sind unter Verwendung eines gemeinsamen additiven Mehrkomponentenfertigungsverfahrens hergestellt. Der Klopfsensor 12 ist derart teilweise in den Zylinderkopf 3 eingebettet, dass der Klopfsensor 12 einen Abschnitt einer den Brennraum 11 teilweise begrenzenden Oberfläche 13 des Zylinderkopfes 3 bildet. Alternativ kann der Klopfsensor 12 vollständig in den Zylinderkopf 3 eingebettet sein.
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Der Klopfsensor 12 ist ein piezoelektrischer Sensor und kann wenigstens eine nicht gezeigte Siliziumdioxidschicht aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinderblock
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Zylinder
- 5
- Hubkolben
- 6
- Zündkerze
- 7
- Motorsteuergerät
- 8
- Ansaugkanal
- 9
- Ausstoßkanal
- 10
- Baugruppe
- 11
- Brennraum von 4
- 12
- Klopfsensor
- 13
- Oberfläche von 3
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9588001 B2 [0006]
- US 6112577 A [0007]
- US 4379404 A [0008]
- US 7146847 B2 [0009]
- US 7201038 B2 [0010]
- EP 1988378 A1 [0011]
